elektromagnetska energija -...

20
Elektromagnetska energija Važno je shvatiti da su akustička i elektromagnetska energija dve fundamentalno različite pojave sa veoma različitim osobinama i karakteristikama. Možda je najočiglednija činjenica da zvuk putuje prilično sporo kao longitudinalni talas, dok se radio i optička energija prostiru kao elektromagnetski talasi pri brzini svetlosti. Dodatno, zvuk mora biti proveden kroz određenu sredinu, dok za RF i optičku energiju ne mora postojati sredina kao što je dokazano njihovim efektivnim prenosom kroz vakuum. U stvari, za elektromagnetsko zračenje zemljina atmosfera nije potpuno omogućavajući mehanizam, i radije će sprečiti prostiranje. Elektromagnetski spektar je opisan na slici 9-1. Svi prikazani talasi su u prirodi elektromagnetski, putuju istom brzinom c u svemiru i razlikuju se jedino u talasnim dužinama i tipu izvora kojim su generisani(Halliday & Resnick, 1974). Indeks prelamanja n je odnos brzine svetlosti u vakuumu i brzine svetlosti u delu sredine kao sto je prikazano: n= m c c gde su: n=indeks prelamanja sredine c=brzina svetlosti u vakuumu c m =brzina svetlosti u sredini. Vrednost n za vazduh iznosi 1.0003; svetlost prema tome putuje u vazduhu neznatno sporije nego u vakuumu, jos sporije u vodi za koju je n=1.33. Takve promene u brzini su odgovorne za prelamanje svetlosnih zraka na prelazu dve sredine saglasno sa Šnelovim zakonom(slika 9-2): n 1 sinӨ i =n 2 sinӨ t gde su: n 1 =indeks prelamanja prve sredine, Ө i =upadni ugao od normale do zraka, n 2 =indeks prelamanja u drugoj sredini, Ө t =prelomni ugao od normale do izlaznog zraka. Slika 9-1 Slika9-1. Elektromagnetski spektar se moze rastaviti na nekoliko preklapajućih frekvencijskih intervala za koje pojedini energijski izvori i tehnologije detekcije postoje. Indeks prelamanja n je funkcija svojstva atoma sredine i frekvencije elektromagnetskog zračenja (Feynman, et al., 1963): ) ( 2 1 2 2 0 0 2 ϖ ϖ ε - + = m Nq n e

Upload: ngohanh

Post on 24-Feb-2018

219 views

Category:

Documents


2 download

TRANSCRIPT

Elektromagnetska energijaVažno je shvatiti da su akustička i elektromagnetska energija dve fundamentalno različite pojave sa veoma različitim osobinama i karakteristikama. Možda je najočiglednija činjenica da zvuk putuje prilično sporo kao longitudinalni talas, dok se radio i optička energija prostiru kao elektromagnetski talasi pri brzini svetlosti. Dodatno, zvuk mora biti proveden kroz određenu sredinu, dok za RF i optičku energiju ne mora postojati sredina kao što je dokazano njihovim efektivnim prenosom kroz vakuum. U stvari, za elektromagnetsko zračenje zemljina atmosfera nije potpuno omogućavajući mehanizam, i radije će sprečiti prostiranje.

Elektromagnetski spektar je opisan na slici 9-1. Svi prikazani talasi su u prirodi elektromagnetski, putuju istom brzinom c u svemiru i razlikuju se jedino u talasnim dužinama i tipu izvora kojim su generisani(Halliday & Resnick, 1974). Indeks prelamanja n je odnos brzine svetlosti u vakuumu i brzine svetlosti u delu sredine kao sto je prikazano:

n=mcc

gde su:

n=indeks prelamanja sredinec=brzina svetlosti u vakuumucm=brzina svetlosti u sredini.

Vrednost n za vazduh iznosi 1.0003; svetlost prema tome putuje u vazduhu neznatno sporije nego u vakuumu, jos sporije u vodi za koju je n=1.33. Takve promene u brzini su odgovorne za prelamanje svetlosnih zraka na prelazu dve sredine saglasno sa Šnelovim zakonom(slika 9-2):

n1sinӨi=n2sinӨt

gde su:

n1=indeks prelamanja prve sredine,Өi=upadni ugao od normale do zraka,n2=indeks prelamanja u drugoj sredini,Өt=prelomni ugao od normale do izlaznog zraka.

Slika 9-1Slika9-1. Elektromagnetski spektar se moze rastaviti na nekoliko preklapajućih frekvencijskih intervala za koje pojedini energijski izvori i tehnologije detekcije postoje.

Indeks prelamanja n je funkcija svojstva atoma sredine i frekvencije elektromagnetskog zračenja (Feynman, et al., 1963):

)(21 22

00

2

ωωε −+=

mNq

n e

gde su:N=broj naelektrisanja u jedinici zapremine,qe=količina naelektrisanja jednog elektrona,ε0=permitivnost u vakuumu,ω0=rezonantna frekvencija elektronske granice u atomu,ω=frekvencija elektromagnetskog zračenja,m=masa elektrona.

U razmatranju gornje jednacine može se videti da n polako dobija sve vece i vece vrednosti kako se povećava frekvencija(tj kako se ω priblizava ω0), efekat je potvrdjen od bilo kog ko je video dugu. Na primer, indeks prelamanja je veći za plavu nego za crvenu svetlost. Ova pojava je poznata kao disperzija zato što frekvencijska zavisnost od indeksa n uzrokuje da se kroz prizmu “disperzuju“ različite boje u karakteristicnom spektru (Feynman, et al., 1963).

Pozivanjem na raniju diskusiju o akustičkoj energiji u odeljku 8 u kojem Doplerovo pomeranje za pokretnog posmatrača koji se približava fiksiranom izvoru je različito nego u slučaju kada se pokretni izvor približava fiksiranom posmatraču u istom vremenskom intervalu. U slučaju elektromagnetske energije, za razliku od zvuka, nema sredine prenošenja koja se odnosi na to šta se kreće, izvor ili posmatrač.Ovde zato ne bi trebalo uopšte da bude razlike između dva slucaja razmatranja: pokretni izvor koji se kreće ka posmatraču trebalo bi da pokazuje isto Doplerovo pomeranje kao u slučaju kada se posmatrač kreće istom brzinom prema izvoru.

Slika 9-2.Šnelov zakon opisuje kako se menja pravac odnosno ugao zraka koji prelazi iz jedne u drugu sredinu sa različitim vrednostima indeksa n.Zrak svetlosti iznad površine vode, kao što je prikazano, ce se prelomiti na prelazu.

Po teoriji relativiteta, posmatrana frekvencija je data kao(Halliday & Resnick, 1974):

gde su:f’=posmatrana frekvencija,f=radna frekvencija izvora,v=brzina razdvajanja ili približavanja,c=brzina svetlosti.

Kao sto je razmatrano u poglavlju 8, često je lakše baratati sa frekvencijom Doplerovog pomeranja nego sa posmatranom frekvencijom. Frekvencija Doplerovog pomeraja je priblizno jednaka(Schultz, 1993):

gde su:fd=frekvencija Doplerovog pomeraja,Ө=raspon ugla od radijalne putanje,v<<c.Znak u izrazu iznad je pozitivan u slucaju približavanja mete.

9.1 Optička energijaOptički predeo elektromagnetskog spektra je podeljen na ultraljubičastu, vidljivu i infracrvenu zonu kao što je prikazano na slici 9-3. gde je talasna dužina označena kao brzina svetlosti u vakuumu podeljena sa frekvencijom:

Precizne granice vidljivog dela spektra nisu dobro definisane zato što se osetljivost vida približava horizontalnoj osi asimptotski u granicama od 400 do 700 nanometara (Halliday & Resnick, 1974), (videti sliku 9-4. kasnije u istom odeljku). Srećom po nas ljude, zračenje Sunčevog spektra pogodno dostiže maksimum od 555 nanometara, a to je skoro centar vidljivog opsega(Herman, et al., 1989).

Slika 9-3. Optički deo elektromagnetskog spektra obuhvata talasne dužine od 0.012 mikrona(ultraljubičasta) do 1000 mikrona(infracrvena); infracrvena oblast se dalje može podpodeliti na blisko infracrvenu, srednje infracrvenu i daleko infracrvenu(adaptirano od Banner, 1993, and Buschling, 1994).

Infracrveni deo elektomagnetskog spektra obuhvata talasne dužine od 0.72 mikrona do 1000 mikrona. Svi objekti apsolutne temperature iznad 0 K emituju energiju zračenja koja se podudara sa Štefan-Bolcmanovom jednačinom (Buschling, 1994):

gde su:W=emitovana energija,ε =koeficijent zračenja(emisiona moć),σ =Štefan-Bolcmanova konstanta ( 4212 /1067.5 Kcmwatss−× ),T=apsolutna temperatura objekta u kelvinovim stepenima.

Suma svih energija koje se zadese na površini objekta može biti ili apsorbovana ili reflektovana ili ponovo izračena u saglasnosti sa Kirhofovim zakonom. Emisiona moć( ε ) je definisana kao odnos

energije zračenja emitovane od strane emitujućeg izvora i energije emitovane od strane savršenog crnog tela koji zrači na istoj površini pri identičnim uslovima kao i emitujući izvor (Graf, 1974). Emisiona moć je takođe pogodna za merenje apsorpcije energije.Idealno ravna površina sa emisionom moći 0 je savršen reflektor, niti apsorbuje niti emituje energiju zračenja. Nasuprot ovome teorijsko crno telo sa idealnom emisionom moći 1 će apsorbovati 100% isporučene energije bez reflektovanja(Buschling, 1994).

9.1 Elektro-optički izvori1977. IEEE je redefinisao radar kao “elektromagnetski instrument za nalaženje cilja i za

praćenje“(IEEE,1977.). Kao što je istakao Sandaram(1979.), ovo uključuje elektro-optičke naprave kao što su laserski radari(lidari) ili laserski detektor oblasti uopšte. U odnosu na mikrotalasni i milimetarsko-talasni sistem, elektro-opticke senzore karakterišu ekstremno niske talasne dužine što im daje mogućnost mnogo veće rezolucije, ali trpi najveće slabljenje u atmosferskom delu. Aktivni optički izvori upotrebljavaju se u pretraživanju oblasti uključuju široki opseg usijanja, široki opseg električnih selektorskih impulsa, uzak opseg ledovki, super luminescentnih dioda i koherentnih lasera. O svakoj od ovih naprava će biti ukratko raspravljano u narednim paragrafima.

Slika 9-4. Zračenje volframskog vlakna sijalice pokazan je u poređenju sa spektralnom senzitivnošću silikona (Brain, 1979).

Usijana sijalica zrači kao posledica zagrevanja električnom strujom provodnog vlakna(najčešće volframa). Što je veća radna temperatura vlakna, veći je procenat zračenja koje pada u vidljivom delu elektromagnetskog spektra; svetiljka koja zrači infracrveno je najprostija volframska sijalica koja radi na niskoj temperaturi niti (Fox, 1989). Ogromna većina energije predata iz obične volframske sijalice je spolja u vidljivom regionu infracrvena energija(slika 9-4.), što objašnjava zašto fluorescentna svetlost, skoro bez infracrvenih komponenti,mnogo energetski efikasnija.Usijane lampe transformisu samo oko 5 procenata njihove struje kroz nit u vidjivu svetlost (Mims, 1987). U slučaju postojanja i infracrvenog i fluorescentnog izvora, osnovna emisija svetlosti procesovaće pojavu u pojedinačnim atomima i ti atomi neće funkcionisati zajedno u zajedničkoj izradi (Halliday & Resnick,1974). Rezultujuća izlazna svetlost zato će biti nekoherentna, sa slucajnim promenama faza pridružene sa pojedinačnim zracima.

Električni stroboskop se sastoji od kvarcne ili staklene sijalice cevi napunjene gasom i koja sadrži dve ili vise jonizujućih elektroda povezanih na visokonaponski DC izvor. Kao gas za

punjenje preferira se ksenon u najvećem broju slučajeva zahvaljujući svojoj visokoj spektralnoj vrednosti bele svetlosti; mogu da se koriste jos i argon, neon, kripton i vodonik (Fox,1989.). Slika 9-5 pokazuje tipično bistabilno kolo u formi blok diagrama. Dovod snage se obično sastoji od kondenzatora napunjenog ispravljenim izlazom step-ap transformatora koji pokrece nestabilni multivibrator. Silikonski kontrolisan ispravljač se koristi kao elektronski prekidač da aktivira okidni transformator kada se želi bljesak povezujući nekoliko hiljada volti sa okidnom elektrodom cevi. Ovaj okidni signal jonizuje deo gasa ksenona formirajući niskootporni put koji momentalno prazni kondenzator kroz gasom napunjenu cev (Mims, 1987).

Slika 9-5. Blok diagram tipičnog okidnog kola sa usijanim ksenonom.

Duzina sijanja zavisi od otpornosti staze pražnjenja i vrednosti kapacitivnosti po jednačini:Td=3RC

gde su:

Td=vreme trajanja bleska(sijanja),R=otpornost u omima,C=kapacitivnost u faradima.

Dužina bljeska je najčešće kratka (5 do 200 mikrosekundi), karakteristika koja je najčešće korišćena da unapredi otežano odnosno kretanje u očekivanim situacijama (Novini, 1985). Ksenon se momentalno vraća u neprovodno stanje onda kada kondenzator bude ispražnjen ili ako je bljesak određen prekidom toka struje korišćenjem poluprovodničkog prekidaca (Mims, 1987). Bljesak se ponovo može izazvati čim se kondenzator ponovo napuni. Prosečno očekivanje trajanja tipične cevi sa ksenonom je oko milion bljesaka.

Ledovka je uređaj sa P-N spojem koji emituje malu količinu optičke energije kada je direktno polarizovan. Ledovke izazivaju spontanu emisiju u srednjem delu spektra(tj 40-100 nanometara) oko centralne talasne dužine. (Kao sto je Udd(1991) istakao, u izvorima dominiraju spontane emisije gde je mala verovatnoća da će jedan foton biti stimulisan emisijom drugog fotona; ovakvi uređaji imaju veliku upotrebu u senzorima sa optičkim vlaknom, uključujući nizak šum i odnosnu otpornost na optičku povratnu spregu). Ledovke su poželjne sa stanovišta izdržljivosti, tolerancije na udar, rasipanja toplote, male veličine i veoma dugačkog veka trajanja(izdrzava oko 100000 sati).

Zbog spektralne karakteristike silikonskih detektora, blisko-infracrvene ledovke su najefikasnije i bile su jedini tip koji je nuđen u fotoelektricnim blizinskim senzorima do oko 1975. (Banner, 1993). Zelene, žute, crvene i plave varijante sada su lako dostupne(tabela 9-1), ali blisko-infracrvene ostaju najpopularnije u primeni senzora baziranim na ledovkama. Na primer, većina optičkih blizinskih detektora koristi blisko-infracrvene ledovke koje rade između 800 i 900 nanometara. Brzo vreme ciklusa dozvoljava ledovkama da se koriste na sličan način kao impulsni osvetljivači za zamrzavanje pokreta i drugih primena sinhronizacije slika kao sto je razlika frejmova između neprekidnih osvetljenih i neosvetljenih scena.

Tabela 9-1. skup tipičnih tipova ledovki uz koje je pokazana selektivnost boja(uzeto od Foksa,1989.)

Super luminescentne diode (SLD) su relativno nove u razvoju (u brzom razvoju polja fiber-optičke komunikacije i optičkih-disk tehnologija) koje najbolje mogu biti opisane kao sredina između običnih ledovki i složenijih koherentnih laserskih dioda. Konstrukcija sva tri uređaja je slična: direktno polarisani P-N spoj dovodi do rekombinacije šupljina sa elektronima, koja je praćena emisijom fotonske energije. Dok su ledovke proizvodile samo spontanu emisiju, laserske diode su fizički napravljene tako da emisije u aktivnom regionu osciluju nazad i napred nekoliko puta između specijalno dizajniranih prednjih i zadnjih ravnih povrsina. Veliki fluks fotona koji su prošli ekscitovano stanje rezultuju stanje sa velikom verovatnoćom da će ekscitovano stanje biti “stimulisano“ da emituje foton (Udd,1991.). (Principe stimulisanja emisije prvi je opisao Ajnštajn 1917. i kasnije demonstrirao H.T.Majman 1960.(Koper,1987.).) Laser LSD karakteristika “pojacava“na svakom sledecem prelazu vrednost primarne talasne dužine ili način rada i kako je nazvano koherenti izlaz (Dokras 1987.), pošto svaki nedavno kreirani foton ima istu fazu i talasnu dužinu kao i stimulišući foton(Udd,1991.).

Ledovke nemaju ovakav pojačavački mehanizam; intenzitet izlaza se jednostavno povećava sa povećanjem gustine struje dok fluks fotona ne opadne ispod praga potrebnog za stimulisanu emisiju (Udd,1991.). Ledovke koje emituju sa površine imaju širok prostorni ugao izlaznog zraka sa Lambertovom distribucijom jačine. Ledovke koje emituju sa obruča, s druge strane, imaju mehanizam talasovoda izgrađen u njihovoj strukturi koji daje model male Gausove jačine (Dokras,1987.). Konstrukciju i funkcionisanje ova dva uređaja detaljnije je opisao i prezentovao Udd(1991.). SLD je sličan ledovkama koje emituju sa obruča ali sa karakteristikama pojačanja jednog hoda, slično laseru koje rezultuje kombinacijom spontane i stimulisane emisije. Snaga izlaza zato je veća nego kod obične ledovke, ali kako se gustina struje povećava, uređaj je onemogućen da vrši pojačanje visestrukog hoda dok ne postane laserska dioda(Dokras 1987.). Ovo ograničenje je obezbeđeno onemogućavanjem generisanja procepa, obicno ovako: 1)antireflekcionim oblaganjima na krajevima površina, 2)korišćenjem bombardovanja protonima da napravimo jednu stranu procepa apsorberom, ili 3)mehanički uništimo ivicu površine (Udd,1991.).

U sadašnjosti, većina aktivnih optičkih uređaja za merenje daljine koji koriste laserske izvore u opremama baziranim na triangulaciji, vremenu leta, detekciji faze, interferometriji, i vraćanju jačine signala. Postoji nekoliko vrsta tipova lasera: Čvrsti (Sarp,1989.), tečni (Manco,1989.), gasni (Dzeni,1989.) i poluprovodnički (Surc,1989.). Bolje poznati tipovi su gasni laseri kao što je helijum-neon(HeNe) ili vrsta čvrstog kao neodijumski: itrijum-aluminijum-garnetski(Nd:YAG). Nedavni dolazak laserskih dioda baziranim na poluprovodnicima dao je značajan doprinos zajednici instrumenata za određivanje daljine(Depkovic & Wolf,1984.). Iako oni imaju redukovanu jačinu izlaza i slabiji spektralni kvalitet u odnosu na druge lasere, poluprovodnički uređaji su kompaktniji, izdržljiviji, pouzdaniji i efikasniji, sa dovoljnim kvalitetom

performansi za najveći broj upotreba u merenjima. Često korišćen laser ovog tipa je laserska dioda na bazi galijum-arsenida(GaAs) koja emituje blisko-infracrveni region.

Slika 9-6. Vidljivo-crvena laserska dioda je koriscena kao ručno čulo vida za pneumatki brzi pištolj(pogledati poglavlje prvo)na ROBART-u III

Dinamička ekspanzija u upotrebi može biti bolje razumevena ako se osvrnemo na neke od bitnih kvaliteta lasera (Depkovich & Wolfe, 1984). Laseri proizvode intenzivan izlaz dobro povezanih paralelnih snopova, što je važna osobina u karakterisanju signala koji dolazi iz pozadinskog osvetljenja, posebno u slučaju velikih daljina. Korišćenjem energije iz optičkog dela spektra minimizuju se problemi sa koeficijentom refleksije koji se javljaju kod akustike sa izuzetkom uglađene površine(Jarvis, 1983). Štaviše, laseri uopšte odašilju spektralno čistu svetlost jedne talasne dužine, u nedostatku pratećeg signala i šuma. Ovaj kvalitet se može iskoristiti postavljanjem uskopojasnog optičkog filtera koji se poklapa sa izvornom talasnom dužinom ispred detektorske komponente. Filteri ovog tipa odbiće svetlost, što rezultuje poboljšanim odnosom signal-šum u sistemu.

Uz ove prednosti, postoje i mane koje moraju biti uzete u obzir (Depkovich & Wolfe, 1984). Sistem baziran na laserima prikazuje i neke bezbednosne probleme u toj meri da često nevidljivi zraci mogu biti opasni za oči. Gasni laseri zahtevaju visokonaponske izvore što može biti opasno zbog strujnog udara. Laserski izvori često slabo podnose nisku ukupnu efektivnost. Generisanje materijala moze biti nestabilno sa kraćim životnim vekom što se odražava na problem pouzdanosti. Konačno, neke laserski bazirane tehnike za merenje daljine zahtevaju upotrebu povratnoreflektujućih ogledala ili prizmi na opažanim tačkama, efektivno eliminišući određena merenja u nestruktuiranim okruženjima.9.1.2 Činioci izvođenja

Atmosfersko slabljenje

Slabljenje optičke energije usled atmosferskih efekata moze se javiti u obliku: 1)rasejanja i 2)apsorpcije. Rasejanje je nepravilna promena pravca prostiranja i/ili polarizacije elektromagnetskih talasa usled nadolazećih molekula i aerosoli (prasina, morske soli, cadj, pepeo itd) u zemljinoj atmosferi (slika 9-7). Molekularno rasejanje, budući da je proporcijalno četvrtom stepenu frekvencije(Feynman, et al., 1963), je veoma zavisno od talasne dužine ali, u suštini, zanemarljivo je spolja u vidljivom delu spektra; rasipanje na aerosolima je manje zavisno od talasne dužine i moze se pojaviti i u vidljivom i u infracrvenom regionu (Herman, et al., 1985).

Slika 9-7. U molekulskom rasipanju, incidentni zrak radijacije uzrokuje elektrone da se kreću u atomu; pokretni elektroni u spinu zrače u raznim pravcima (Feynman, et al.,1963).

Vidljivost je kvantitativni pokazatelj atmosferskog slabljenja. Svetska meteorološka organizacija je definisala meteorološku optičku oblast(MOR) kao dužinu putanje u atmosferi koja je potrebna da redukuje svetlosni fluks bele svetlosti na temperaturi boje 2700 K do 5% njene originalne vrednesti (Crosby, 1988). Faktor 0.05 (5%) je poznat kao prag kontrasta ε. Koeficijent prigušenja σ je mera smanjenja propuštanja svetlosti zbog atmosferskih efekata gde je σ zbir koeficijenata apsorpcije α i koeficijenta rasipanja β (Crosby, 1988). Očigledan kontrast C između objekta i stalne horizontale neba menja se eksponencijalno sa koeficijentom prigušenja i daljinom, a odnos je poznat kao Kosmiderov zakon:

gde je:C=očigledan kontrast,σ=koeficijenat prigušenja,r=razdaljina do objekta.

Kako se očigledan kontrast priblizava pragu kontrasta ε(0.05), gornja jednačina se redukuje na (Crosby, 1988):

gde je:r=maksimalna vidljiva daljina.

Rešenje za stvarnu, zračnu, transfersku funkciju koja opisuje efekte atmosferskog rasipanja ukljucuje veoma složene matematicke funkcije i takođe detaljna razmatranja o atmosferskom rasipanju i apsorpciji, izvan je razmatranja ovog odeljka. Herman, et al. (1985) napravio je sveobuhvatan matematički postupak za predmet atmosferskog rasipanja u The Infrared Handbook (Wolfe & Zissis, 1985) sa odgovarajucim modelom aerosoli i znatnim tabelama sa optičkim konstantama za različite delove vazduha. LaRocca (1985) je obezbedio sličan postupak za atmosfersku apsorpciju u istom obimu.

Površinska sposobnost odbijanja

Kao što je diskutovano u odeljku 8, parametar koji reguliše odnos reflektovane i transmitovane energije zvuka u međupovršini između dve sredine je akustička impedansa Z; u slučaju optičke energije to je indeks prelamanja n. Kada svetlost naiđe na reflektujuću površinu kao što je

prikazano na slici 9-8, deo talasa se reflektuje kao što je pokazano sa uglom reflekcije Ө r koji je jednak sa uglom upadnog zraka Өi. Ugao prelomljenog zraka Өt je dat Šnelovim zakonom.

Slika 9-8. Za reflektujuće površine, ugao prelamanja je jednak uglu upadnog zraka, dok je proizvod nsinӨ jednak za upadni i prelomljeni zrak (Feynman, et al., 1964).

Za reflektujuće površine, intenzitet reflektovanog svetla zavisi od upadnog ugla kao i od polarizacije. U situacijama kada je elektricno polje E upravno na upadnu ravan, koeficijent reflekcije je (Feynman, et al., 1964):

Kada je E paralelno sa upadnom ravni, koeficijent reflekcije je (Feynman, et al., 1964):

Za normalni upad (bilo koja polarizacija):

gde su:Rc=koeficijent reflekcije,Ir=intenzitet reflekcije,Ii=upadni intenzitet.

Zbog kraće talasne dužine koja je obuhvaćena, optička energija je uopšte manje osetljiva nego mikrotalasna ili milimetarsko-talasna energija na probleme vezane za optiču refleksiju. Kao što je ilustrovano u poglavlju 8 ,u slučaju bljeska uperenog u ogledalo, kako god, optička reflekcija će se pojaviti na uglačanim i sjajnim površinama. Svako ko je vozio noću klizavim putem, zna iz prve ruke rezultate kada se spusti svetlost na prednjim farovima. Normalno rasejana površina druma transformisana je u ogledalo na mestima gde su udubljenja, obeleženo smanjujući normalnu komponentu površine i kao posledica toga količinu svetlosti reflektovanu nazad ka vozilu.

Prethodni primer donosi važan zaključak: amplituda površinske reflekcije ne zavisi toliko od materijala koliko od koeficijenta prelamanja, ali i od ”osobina površine” koja zavisi od specifičnih topografskih karakteristika mete (Feynman, et al., 1964). Gornje formule mogu se upotrebiti jedino ako je promena indeksa neočekivana, pojavljujući se u granicama dužine jedne talasne dužine ili manje. Sličan kriterijum je utvrđen u poglavlju 8 koji se odnosi na reflekciju za akustički oblik signala. Za svetlost, ipak, kratke talasne dužine diktiraju da za uslove veoma glatke

površine, prelaz preko granične površine mora se pojaviti međupovršinski prelaz preko odgovarajuće razdaljine do samo nekoliko atoma. Za slabije uglačane površine, prenos se dešava preko razdaljine od nekoliko talasnih dužina i priroda reflekcije biće više rasejana nego optička.

Staklo, čista plastika i druge prozirne supstance sa slabo reflektujućim ili nereflektujućim osobinama mogu da izazovu problem. U suštini, nepoznata reflektivnost posmatrane mete je najznačajniji problem u merenju optičke daljine, i spojeno sa promenom upadnog ugla, uzrokuje da povratna energija značajno varira u amplitudi. Kao rezultat, sposobnost detekcije preko dinamičke širine (izmedju 80 i 100 dB) je potrebna, komplikujući konstrukciju elektronike primaoca.

Vazdušna turbulencijaTurbulentno prouzrokovana varijacija pritiska može prouzrokovati nasumične nepravilnosti

u indeksu prelamanja što će poremetiti optički talas, uzrokujući pomeranje slike, izobličenje slike i nejasnu sliku (Hufnagel, 1985). Kako deformisan talas nastavlja da se širi, njegovo lokalno zračenje će nasumice varirati kao posledica defokusiranja i efekta širenja; pojava poznata kao iskrenje, primer koji se vidi kao svetlucanje udaljenih zvezda. Opšta saglasnost je da indeks prelamanja ne varira brzo u prostoru ili vremenu (Hufnagel, 1985), uzrokujući samo prelamanje pod malim uglom i savijanje zraka zračenja bez promena u polarizaciji (Saleh, 1967). Efekti turbulencije na indeks prelamanja n su male, kako bilo, u poređenju sa efektima temperature i zato se mogu zanemariti (Hufnagel, 1985). Ovo je delom tačno u najvećem delu primene u robotici, s obzirom na relativno malu uključenost razdaljine.

Temperatura

U dodatku za talasnu dužinu i pritisak sredine, indeks prelamanja je takođe zavisan od temperature i vlažnosti. Od svih ovih parametara temperatura je daleko najznačajnija utičući na promenu indeksa kao što je prikazano (Hufnagel, 1985):

gde je:n=indeks prelamanja,P=mestimični pritisak vazduha u milibarima,T=temperatura u stepenima Kelvina.

Stanje poznato kao termalna nejasnost slike primećuje se kada je zračenje dovoljno jako da značajno zagreje vazduh duž putanje, ali ovakvi efekti su uopšte ograničeni za primenu u laserskim zracima veoma velike snage (Hufnagel, 1985). Poslednji značaj trebalo bi dati uticaju temperature na komponente.Talasna dužina laserske diode može biti pomerena temperaturnim promenama P-N spoja. Ovo pomeranje u spektralnom izlazu sa temperaturom je približno 0.25 nanometara po stepenu stostepenske skale u slučaju galijum-arsenidovog lasera (Gibson,1989.). Povećanje temperature će takođe radikalno smanjiti izlaznu snagu poluprovodničkog emitera, uključujući i ledovke i SLD-ove. Laserske diode mogu koristiti sitno zatvoreno upravljačko kolo termoelektričnih hladnjaka unutar predajnog paketa da kompenzuje ovakav efekat (Dokras,1987.).

Geometrija zraka

Jedna od neospornih prednosti optičkog sistema u odnosu na akustički i RF je lakoća sa kojom zrak može biti fokusiran koristeći veoma mala i jeftina sočiva. Laserski zraci su uski i svode se na paralelan snop sa malo ili bez divergencije omogućujući moćan prostorno-selektivan energetsi zrak koji može biti koncentrisan na malom mestu na velikoj udaljenosti. Tipične vrednosti za veoma jeftine ispitivačke laserske sisteme(videti poglavlje 6) su oko 0.3 do 0.5 miliradiana. Veće širine zraka(na primer oko 5 stepeni) su ponekad upotrebljene u senzorima blizine (Banner,1993) i

primenama merenja rastojanja pri izbegavanju sudara (Moser & Everett, 1989) da poveća zapreminski obuhvat i verovatnoću detekcije mete ,ali i vrednost razdaljine.

9.1.3 Biranje operacione talasne dužine

Da bi se koristio sa sistemima pokretnih robota, sistem optičkog merenja razdaljine mora efektivno da funkcioniše pod uslovima normalno osvetljene sredine što čini izbor izvora energije prilično presudnim. Neki strukturni svetlosni sistemi koriste usijanu lampu ili bljesak ksenona usmeren kroz prorez ili mustriranu masku i projektovan na površinu. Drugi upotrebljavaju laserske zrake koji se mehanicki ili elektronski očitavaju brzo u jedinici vremena da bi dobili željeno osvetljenje. Glavni kriterijum za odabir svetlosnog izvora je da budemo sigurni da njegove maksimalne vrednosti spektralne frekvencije budu drugačije od one energije u sredini. Kamera(ili detektor) trebalo bi da bude opremljena sa uskim filterom za upoređivanje da dopuni izvor i poboljsa detekciju.

Na primer, ultraljubičasta svetlost sa talasnom dužinom od 0.2 mikrona do 0.3 mikrona je stvarna napolju zato što apsorpcija atmosferskog omotača ozona sprečava propuštanje sunčeve energije koja ima talasnu dužinu manju od 0.3 mikrona. Ipak, ultraljubičasti izvor sa potrebnim nivoom gustine snage može biti opasan u kućevnim okruženjima(nije bezbedno za oci). Nasuprot ovom, infracrvena energija sa oko 2.8 mikrona je bolje prilagođena kućnim aktivnostima zato što su objekti skloni da dobro emituju infracrvenu energiju. Infracrvena gubi nešto svoje korisnosti napolju zbog unutrašnje radijacije emitovane od prirodnog zemljišta, puteva i objekata(LeMoigue & Waxman, 1984). Ovde postoji jaka komponenta blisko-infracrvene energije u sunčevoj svetlosti i usijanoj svetlosti, ali efekti šuma sredine mogu biti smanjeni modulisanjem izvora vremenom, onda demodulacijom primljene energije u detektoru. Ova tehnika efektno eliminiše konstantu usijanja pozadine.

Konstrukcija elektro-optičkog sistema mora biti optimizirana da izvadi potrebne informacije iz šuma sredine i lokalnih smetnji sa pogodnim odnosom signala i šuma. Za aktivne sisteme, realni izvor treba biti izabran prema sledećim pravilima (Dokras,1987.). Mora da proizvodi energiju:

• Dovoljne jačine,• Tražene talasne dužine(ili u granicama odgovarajućeg spektra),• Sa željenim zračenjem.

9.2 Mikrotalasni radarDelić elektromagnetskog spektra za koji se smatra da je koristanog frekvencijskog opsega za

praktični radar je izmedju 3 GHz i 100 GHz (Miller et al., 1985). Najmoderniji standardni radari koriste mikrotalasnu energiju i rade u L,S,C ili X poljima (IEEE,1976.). Upotreba postavljanja znakova (videti tabelu 9-2) je usvojena iz sigurnosnih razloga tokom Drugog svetskog rata i istrajala u buduće zbog korisnosti. Za najveći deo koji nije pod uticajem magle, kiše, prašine, čađi i dima, radarski sistemi mogu da stvore začuđujuću preciznost u slučajevima razlikovanja meta i proračuna pravca kada se kombinuje sa računarskom obradom signala(Nowogrodzki, 1983).

Tabela 9-2. Projektovani pojasevi radarske frekvencije(IEEE Standard 521-1976.) prikazani su u relaciji sa VHF i UHF alokacijama(Barton.1989.)

Merenje rastojanja je usavršeno impulsnom TOF metodom, CW faznom detekcijom ili CW frekventnom modulacijom. Impulsni sistemi mogu da detektuju mete na distanci reda nekoliko hiljada kilometara oslanjajući se na merenje vremena zaobljene putanje prostiranja talasa brzinom svetlosti. Merenja bliske zone(manje od 100 stopa) je mnogo teže za ovaj tip sistema zato što ekstremno tačni kratkotrajni signali koji moraju biti stvoreni i detektovani su skupi i komplikovani za realizaciju i teorijski nemogući za distance manje od trećine metra(Schultz,1993.). CW sistemi su s druge strane efikasni na kraćim razdaljinama zato što merenja fazne detekcije ili frekventnog pomeranja nisu zavisna od brzine talasa i takođe su dobro opremljeni za merenje brzine kretanja objekta Doplerovim efektom.

9.2.1 PrimeneMikrotalasni radari su znatno zastupljeni u vojsci kao i u komercijalnom nadzoru, praćenju i

za navigaciju. Mikrotalasi su idealno opremljeni za dalekometno očitavanje zato što je rezolucija uopšte dovoljna, prigušenje zraka u atmosferi je minimalno, i strukture za nisko navođenje se mogu napraviti. Relativno velike talasne dužine snabdevaju talasne sisteme mogucnošću da rade na ”svim vremenskim uslovima” savlađujući apsorpciju i efekat rasejanja u vazduhu, vreme i druge smetnje.

Mikrotalasi su takođe korišćeni za potrebe opažanja na manjim udaljenostima kao što su radari na repu aviona i kontrolni radari na zemlji za avione, obično se uključuju razdaljine od stotinu metara. Druge upotrebe mikrotalasa uključuju indikatore nivoa u tankovima(Williams, 1989; Fitch, 1993), kontrola saobraćaja(Schultz, 1993), senzori pokreta(Hebeisen,1993.), detektori prisustva(Williams,1991.) i radari za zaobilaženje prepreka(Siuru,1994.) koji rade na razdaljinama od nekoliko metara do nekoliko stotina metara. Mikrotalasni sistemi su bili u razvojnom stadijumu neko dovoljno vreme ali samo su se vraćali na prvobitno stanje nekih 20 godina, sve do prispeća jeftinih, pouzdanih i integrisanih komponenti kao alternativa za tipične lomljive termoelektronske uređaje koji puno troše snagu(Nowogrodzki,1983). Oprema za slanje, primanje i obradu signala je sada naširoko dostupna.

9.2.2 Performanse

Osnovna jednačina radara izražava se preko odnosa između snage primljenog signala preko antene koja je funkcija veličine antene i emitovane snage sistema(Ridenour,1947):

gde su:

S=snaga primljenog signala,P=predata snaga,G=pojačanje antene,λ=talasna dužina,σ=radarski poprečni presek mete,R=udaljenost od mete.

Prvi član u uglastoj zagradi predstavlja jačinu snage upadnog talasa na metu. Za izotropnu antenu energija zračnog rasprostiranja je jednaka u svim pravcima, predata snaga P trebalo bi da je jednostavno raspodeljena na sferi(4*π*R2). Pošto su u stvarnosti neke vrste usmerenih antena generalno zastupljene, energija koja zrači biće koncentrisana pojacanjem antene G.

Kao što je to bio slučaj sa sonarom u odeljku 8, napravićemo pretpostavku ovde da je upadni talas reflektovan od mete u izotropnom Lambertovom obliku, odbacujući jos jednom saglasnost sa inverznim kvadratnim zakonom. Ovaj odnos je izražen u drugoj uglastoj zagradi u gornjoj jednačini radara, gde σ(poprecni presek radara) služi kao kombinovano predstavljanje poprecnog preseka mete, reflektivnosti i usmerenosti, očitavajuci za stvarno raflektovanu energiju, rasprostiranje možda nije čisto izotropno. Prva dva člana u uglastim zagradama zajedno zato daju jačinu snage povratnog talasa u antenu za prijem, dok poslednji clan u uglastoj zagradi predstavlja poprečni presek antene za prijem.

Ovaj najosnovniji oblik jednačine radara predstavlja monostaticku konfiguraciju gde je ista antena korišćena i za slanje i za prijem. Za detaljnije objašnjenje i uslove bistatičke(razdvojene antene) konfiguracije, videti Blake (1990.). Kao dodatak, bilo koji gubitak usled atmosferskog rasipanja ili apsorpcije, koji može biti sasvim značajan, nije još uzet u obzir. (Ovaj aspekt atmosferskog slabljenja radarskih karakteristika će biti detaljnije objašnjen u ovom odeljku). S druge strane, ipak,gornja jednačina blisko upoređuje izraz predstavljen u odeljku 8 za jačinu reflektovanog akustičkog talasa, sa padajućom snagom signala(i za radar i za sonar) sa četvrtim stepenom rastojanja.

Glavna komponeneta razmatranja u implementaciji mogućnosti radarskog određivanja rastojanja je konfiguracija prijemne antene i antene za slanje. Standardni dalekometni monostatički sistemi obično se karakterišu velikim paraboličkim reflektorom sa detektorom (ili snabdevačem) pozicioniranim u žižu sferne antene (slika 9-9A). Odnos između predate talasne širine i diametra antene je izražen sledećom jednačinom:

gde su:Ө=talasna širina,λ=talasna dužina,d=diametar reflektora.

Povećavajuci diametar reflektora rezultuje poboljšanje sposobnosti za određivanje daljine zbog jačeg(bolje fokusiranog)odlaznog zraka, i većom površinom antene sa kojom se prekida reflektovana energija(tj parametar pojačanja u prvoj i trećoj uglastoj zagradi u jednačini radara). Nedostatak uključuje potrebu za manipulacijom glomaznog mehaničkog sistema sa visoko inertnim punjenjem, sa dodatnom opremom potrebnom da neutrališe efekte vibracija i vetra. Ovi faktori su bili glavna prepreka za razvijanje standardnih sistema za određivanje razdaljine baziranih na principu radara na platformi pokretnih robota.

Slika 9-9. Uobičajena konfiguracija mikrotalasne antene ukljucuje: (A)reflektujuca sferna antena sa detektorom u žiži, (B)standardni rog(ili truba), i(C)dvodimenzionalni nizovi mikropruga(adaptirano od Hebeisen,1993).

Da se izbegnu neke prepreke, mnoge primene za kratkometna merenja koriste konfiguraciju rog antene. Nasuprot popularnoj pretpostavci, dimenzije otvora roga su obrnuto proporcionalne talasnoj širini. Drugim rečima, veće dimenzije roga rezultuju užim dimenzijama zraka i raznovrsnim stegama. Orijentacija antene opisana je na slici 9-9B. Veličina roga teži da bude razumno mala za širine zraka veće od 20 stepeni, ali je prilično nerealno u primeni tražiti manje od 15 stepeni(Schultz,1993).

Konfiguracije antene sa faznim nizom(slika9-9C) predstavljaju alternativno uređenje u obliku grupacija malih antena odvojenih na nekoliko talasnih dužina. Prenošenja od svakog zračnog tela se razilaze i preklapaju sa susednim prenošenjima uz konstrukciju i destrukciju baziranu na njihovoj faznoj razlici. Pravilnim podešavanjem faza, niz antena može biti podešen na željeni pravac i intenzitet. Mala veličina pojedinih primopredajnika unapređuje niskoprofilne dizajne i smanjuje probleme usled vetra i vibracija. Rezultujuće manje obuhvatanje prostora smanjuje ukupnu efektivnost, dok potreba za elektronskom promenom faze kontroliše povećanje ukupne kompleksnosti sistema. Ravne pločaste katode i umetak mikropruga koje zrače su posebno popularne u primenama koje obuhvataju razdaljine od 200 stopa(sedamdesetak metara) ili manje(Schultz,1993).

Efektuvno detektovanje daljine zavisi od određenog broja faktora pored dizajna antene i performanse sistema, a jedan od najznačajnijih je atmosfersko slabljenje. Pod povoljnim vremenskim uslovima, čista atmosfera se razvija od potpuno providne do 100% neprovidne kako se frekvencija povećava od 1GHz do 1000 GHz(Falcone & Abreu, 1979). Kiša i sneg mogu uzrokovati značajno slabljenje signala iznad 2 GHz, kako veličina kapljica postaje uporediva sa talasnom dužinom(Hebeisen, 1989). Druga sporna pitanja za razmatranje uključuju povratno rasejanje od vlažnosti vazduha, smetnje zbog višestrukih puteva na tlu, smetnje na ekranu, reflektivnost i usmerenost površine mete, i prirodni pokrivač kao što je sneg.

Razumno govoreći, postoji određen broj smetnji u vezi sa mikrotalasnim radarima iz perspektive robotike:

• Mikrotalasna energija, za razliku od ultrasonične, je osetljiva na spektralnu reflektivnost na površini mete, zahtevajući prijemnike i procesore signala sa širokim dinamičkim opsegom.

• Raspoloživa širina pojasa je manja od milimetarskotalasnih sistema sa kraćim talasnim dužinama i elektro-optičkih sistema, što se rezultuje u smanjenoj rezoluciji.

• Veće talasne dužine se prenose preko velikih i glomaznih komponenti.• Velike dimenzije antene su potrebne zbog hvatanja upravnih zraka.• Velike talasne širine rezultuju probleme zbog izbočina, povratnog rasejanja, i višelinijskih

refleksija.• Manje dostupne talasne širine, veće sposobnosti na razdaljini(range capability), i veće

talasne širine zajednički čine skupljanje nedetektovanih operacija teškim, sa povećanom osetljivošću na prekide i zaglavljivanje.

Značajne prepreke okruženja na mikrotalasnom radaru je otkrio Barton (1977.) i sumirao Johnston (1979.). Zbog svih gore navedenih razloga, običan radarski sistem koji radi u mikrotalasnom delu energetskog spektra ima manju primenjivost u potrebama kratkometnih izbegavanja na platfori pokretnog robota.

9.3 Milimetarsko-talasni radar

Milimetarski talasi su sastavni deo ovog dela elektromagnetskog spektra sa talasnim dužinama od oko 500 mikrometara do jednog centimetra(30 GHz do 300 GHz), sredina između mikrotalasa i elektro-optike. Milimetarski talasi poseduju neke osobine koji ih znatno razlikuju od mikrotalasnog zračenja. U odnosu na mikrotalase, milimetarsko talasni sistemi imaju znatno manji domet uglavno zbog atmosferskog slabljenja i povratnog rasejanja, ali ovo uopšteno razmatranje je dato u odnosu na običnije primene u vazdušnom pretraživanju i pratećim radarima. Za neobičnije potrebe detekcije kraćih razdaljina na pokretnom robotskom sistemu, ova karakteristika nije neophodna za ograničnu smetnju.

U stvari, Strom (1977) ukazuje da za kratkometne primene, performanse milimetarskog talasa su zapravo bolje od mikrotalasa pod lošim vremenskim uslovima:

“Ako uporedimo 3-mm radar i 3-cm radar koji je dizajniran za upotrebu na manjim razdaljinama i ekvivalentan sa svih ostalih gledišta, primetićemo da ekvivalencija u prorezu obezbeđuje 20 dB više pojačanja za manje talasne dužine da izravna atmosfersko slabljenje, i ekvivalencija u talasnoj širini signala (kada se uzme u obzir procenat radne frekvencije) proizvodi desetostruko poboljšanje u rezoluciji razdaljine.Na taj način, kombinovani efekat pojčanja antene i rezolucije razdaljine je da smanji smetnju za 30 dB.”

Manje talasne dužine se rezultuju uskim zrakom, sa relativno malim prorezom antene za datu talasnu širinu. Dok se ukupna fizička veličina sistema smanjuje, manji prorezi znače manje skupljene energije, što ponovo ograničava efektivnost sistema.

Manje talasne dužine mere preciznije daljinu i Doplerovo merenje.Odnos talasne dužine i veličine mete se poboljšava na većim frekvencijama, omogućujući bolju detekciju malih objekata kao što su stubovi, žice, stabla drveća i znakovi pored puta. Visoke Doplerove frekvencije (pogodno u audio opsegu) obezbeđuju dobru detekciju sporo pokretnih meta (Richard, 1976). Manji zahtevi za napajanjem kraćih talasnih dužina su pogodni za primenu u robotici. Dodatno, manje talasne dužine prevode se u manjim komponentama, što vodi do smanjenja veličine i težine; kompromisi su da atmosfersko slabljenje raste, i manja veličina antene dovodi do smanjenja osetljivosti prijemnika.

Druga povoljna karakteristika je veoma velika širina pojasa pridružena milimetarskim talasima; za četiri glavna pojasa (35 GHz, 94 GHz, 140 GHz, 220 GHz), pridružene širine pojasa su 16 GHz, 23 GHz, 26 GHz, 70 GHz respektivno. Ovo znači da cela mikrotalasna oblast može stati u bilo koji milimetarski pojas (Sandaram, 1979). Širina pojasa od jednog procenta na 300 GHz je jednaka svim frekvencijama ispod S-pojasa centralne frekvencije od 3 GHz (Johnston ,1978). Veće širine pojasa smanjuju broj puteva, povećavaju rezoluciju i osetljivost, smanjuju ometanje između zajedničkih korisnika pojasa, i povećavaju otpornost na mešanje stanica.

9.3.1 Primene

Milimetarski talasi su bili predlagani za brojne primene (Skolnik, 1970) i bili su predmet teoretskih studija (i mnogih debata) od ranih pedesetih (Johnston, 1978). Nažalost, tehnologija nije dovoljno napredovala u ranijem delu ovog perioda, sve do nedavnog napretka poluprovodnika u poslednje dve decenije tako da praktični uređaji mogu biti unapređeni i testirani. Moguće povoljnosti ove

tehnologije uključuju opažanje daljih okruženja, saopštavanje slobodnih smetnji, radar za praćenje sa malim uglom, radar sa velikom rezolucijom i oslikavanjem, spektroskop (Senitzky & Oliner, 1970), rukovođenje terminalom, oprema za određivanje daljine, i kočenje automobila. Od svega ovog, najčešća upotreba danas je praćenje mete i postavljanje u vojsci. Uska širina pojasa milimetarsko talasnog prenošenja je veoma nezavisna od problema reflekcije zemlje kada se prate mete sa malim uglom podizanja ili spuštanja, čineći ovakvu vrstu radara veoma efikasnim za praćenje sa malim uglom.

U dodatak njihove ograničene sposobnosti na razdaljini, milimetarsko talasni sistemi nisu korišćeni za pretraživanje velikih zapremina i prikupljanja meta zbog njihove uske talasne širine. Svako ko je ikad pokušao da nađe određeni traženi objekat sa veoma jakim teleskopom je upoznat sa ovim problemom. Neki ovakvi optički uređaji imaju radar sa širim uglom sa namerom otkrivanja koji je pričvršćen na paralelnoj osovini radi prve lokacije mete. Pouzdani vojni sistemi PVO imaju usvojen sličan prilaz, koristeći radare za pretragu sa dalekometnim mikrotalasima sa širokim zrakom, za početno prikupljanje, i zatim se prebacuje na milimetarsko prateći radar za kontrolu sistema naoružanja.

Kratkometni milimetarsko talasni sistemi sa manjim napajanjem se pojavljuju da dobro urede izbegavanje sudara i potrebe za navigacijom na spoljašnjosti pokretnog robota. U stvari, Johnston (1978) je predložio kočenje automobila kao buduću najveću potencijalnu komercijalnu primenu milimetarsko talasnih radara. Kao što je Weisberg (1977) istakao, mogućnost korišćenja manjih antena je dominantna karakteristika zbog čega se bira milimetarsko talasni a ne mikrotalasni sistem. On je naveo tri platforme koje najdirektnije deluju: sateliti, projektili, mini-RPV. Zamišljene primene sistema sa milimetarskom preciznošću na robotskom vozilu može biti smatrana kao produžetak Weisberg-ove treće kategorije.

9.3.2 Performanse

Atmosfersko slabljenje

Sva elektromagnetska energija je apsorbovana u nekoj meri od strane atmosferskih gasova (voda, ugljen dioksid, kiseonik, i ozon), i slabljenje usled sumaglice, magle, oblaka, i kiše (Sundaram, 1979). Apsorbovana energija je pretvorena u toplotu i potom izgubljena u okolnoj atmosferi (Hebeisen, 1989). Apsorpcija zavisna od frekvencije dešava se na visokim frekvencijama, zbog rezonancije atmosferskih gasova (Van Vleck, 1964), i varira sa atmosferskim pritiskom, temperaturom, relativnom vlažnošću vazduha (Dyer & Currie, 1978). Dva najizraženija efekta se dešavaju zbog magnetskog delovanja kiseonika i električne polarnosti molekula vode u vodenoj pari (Koester, et al., 1976). Ove oblasti maksimalne apsorpcije su označene kao pojas apsorpcije, sa najznačajnijim postojanjem oko 60 GHz (Sundaram, 1979). Slično, atmosferska apsorpcija od gasova je minimalna za određene frekvencije (Tabela 9-3), prikladno zvano atmosferski prozori (Sundaram, 1979).

Tabela 9-3. Prirodno javljanje atmosferskih prozora (adaptirano od Sundaram, 1979).

Uodnosu na mikrotalase, milimetarski talasi prikazuju veću interakciju sa okruženjem. Ova osobina je plus u radiometrijskim primenama u ovim senzorima mogu da detektuju male delove i nastave sa frekventno selektivnom interakcijom sa gasovima. Ipak, rezultujuće atmosfersko slabljenje ograničava maksimalni domet i ograničava operacije ovakvih uređaja u nepovoljnim vremenskim uslovima. Milimetarski talasi deluju sa atmosferskim gasovima, deleći materiju, i zadržavajući vlažnost kapljica (hidrometri) kroz tri primarna mehanizma: apsorpcija, rasipanje, i prelamanje (Dyer, et al., 1978). Slabljenje se može javiti zbog apsorpcije od vodene pare i gasova, apsorpcije od kapljica vode u kiši (Richards, 1989). Od svega ovog, kiša je daleko najznačajniji faktor, sa njenim pridruženim slabljenjem budući da je direktno proporcionalna veličini kapljica i količini kišnih padavina (Hebeisen, 1989), i 2.5-om stepenu frekvencije (Barton, 1989). Suvi sneg, u drugom slučaju (sa izuzetkom veoma velikih količina padavina), proizvodi veoma malo slabljenje (Dyer & Currie, 1978). Zato što prašina, smog, i dim u vazduhu imaju dielektričku konstantu mnogo manju od vode, njihovo zajedničko slabljenje na poprečnom preseku je smanjeno, rezultujući zanemarljivo slabljenje milimetarskog talasa (Dyer & Currie, 1978).

Richard (1976) karakteriše čisto slabljenje od vode kao malo za 35 GHz, 70 GHz i 94 GHz, znatno za 140 GHz i 240 GHz i zabrinjavajuće puno na 360 GHz i više. Povoljne vremenske oblasti su uopšte ograničene na 10 km do 20 km (Sundaram, 1979), i tipična upotreba sa uporednim sve-vremenskim karakteristikama pri 3-cm mikrotalasu je veoma verovatnijo ograničena na između 5 km i 10 km (Strom, 1977). Johnston (1979) obezbeđuje odličan opšti pregled početnog adresiranja različitih faktora koji utiču na prostiranje mikrotalasa; opšti pregled uključuje slabljenje, povratno rasipanje, promene faze, polarizacione efekte, i površinske pojave. Druga opširna ispitivanja o prostiranju milimetarskih talasa razmatrajući činjenice o slabljenju, povratnom rasejavanju je predstavljena od strane Dyer-a i Currie-a (1978). Čisto vreme atmosferskski dobro za proračunavanje krivina pri slabljenje usled kiše naspram frekvencije operacije je predstavio Richard (1976) i mnogi drugi.

U suštini, atmosferski gubici u četvoromilimetarskim pojasevima, dok su veći od ovog za mikrotalasnu energiju, su znatno niži od onih pridruženih sa optičkim uređajima, delom u slučaju sa kišom, dimom, maglom, sumaglicom, i prašinom. Za zamišljenu primenu u robotici (izbegavanje sudara, navigacija, komunikacije), prostorna ograničenja ne nameću značajna ograničenja.

Radarski presek

Radarski presek, izraz koji se koristi da kvantifikuje sposobnost pojedinačne mete da vrati energiju do prijemnika, je funkcija tri nezavisna parametra (Schultz, 1993):

• Geometrijski presek – odnosi se na količinu upadnog zračenja uhvaćenog od strane metine presečne oblasti i u osnovi zavisi od veličine mete i orijentacije.

• Reflektivnost – određuje onaj deo upadne energije reflektovane naspram apsorbovane od strane mete i prvenstveno zavisi od sastava mete.

• Usmerenost – je mera reflektovane energije od povratne do prijemne antene i uglavnom je zavisna od geometije mete.

Koeficijent refleksije o kojem je bilo reči ranije u ovom odeljku, u posebnom slučaju optičke energije opisuje dobro i reflektivnost radara. Formula od ranije glasi:

gde su:

R=koeficijent refleksije

Ir=reflektovana jačinaIi=upadna jačina.

Stvarna vrednost R zavisi od uslova površine mete, materijalnog sastava, i frekvencije upadnog zraka, ali uopšte je veći za materijale sa većim gubicima koji imaju: 1) veću permitivnost (dielektričnu konstantu), 2) veću specifičnu provodnost, i 3) manju permeabilnost (Hebeisen, 1989). Drugim rečima, visoko dielektrični materijali kao što su plastika i staklo reflektuju malo energije, dok provodni materijali kao što su aluminijum ili čelik čine dobre mete za radar. Magnetski bolji provodni materijali, sa manjom sopstvenom reflektivnošću, itd treba da očekuju aluminijum da reflektuje više energije od čelika. Tipične vrednosti permitivnosti, provodljivosti, i permeabilnosti za nekoliko reprezentativnih materijala su prikazani u tabeli 9-4.

Tabela 9-4. Tipične vrednosti relativne permitivnosti, provodljivosti (S/m), i relativne permeabilnosti za rasprostranjene materijale, za niske frekvencije na sobnoj temperaturi

Da bi dobili intuitivnu ocenu za vrednosti date u tabeli 9-4, probajte zagrejati mali stakleni sud sa bebinim uljem u mikrotalasnoj peći na određeno vreme, i zatim zagrejte istu količinu vode za isti vremenski period. Temperatura ulja pokazuje zanemarljiv porast, dok sud sa vodom može lako i da proključa. Voda, budući da je bolje provodna od ulja, apsorbuje više RF energije, koja se zatim pretvara u toplotu. Neprovodni materijali koji imaju visok sadržaj vlažnosti, prema tome, čine dobre mete (slika 9-10).

Slika 9-10. Procenat refleksije mikrotalasne energije od različitih čvrstih tela u odnosu na čelik.

Budući da su svi drugi faktori jednaki, uopšteno pravilo palca je da će se radarski presek pojedinog objekta povećati sa veličinom i takođe sa frekvencijom upadnog zračenja, sve do tačke kada je veličina objekta mnogo veća od operacione talasne dužine, posle čega se malo dodatno povećanje videti (Hebeisen, 1989). Ovaj odnos je razlog što višelinijske refleksije u RF

komunikacijama imaju mnogo više problema na većim frekvencijama; više je verovatno da će se zračena energija reflektovati iz raznovrsnih objekata u najbližoj sredini. Što je veća talasna dužina (tj niža frekvencija), lakše će biti energiji da prođe kroz okružujuće strukture u operacijama kada nema čist pogled.

Višelinijske refleksije

U dodatak željenom signalu koji se vraća od odvojene mete, višelinijske refleksije iz prostora između površina moraju takođe da se uzmu u obzir u slučajevima kad se radi na zemlji. ( Višelinijske refleksije uopšte nisu problem kad se radi o radarskom praćenju vazdušnog objekta sa zemlje.) Kada je horizontalni zrak konstruisan sa pokretne platforme robota, tada postoji dobra šansa da će donji deo zraka osvetliti delić tla kao i metu od interesa (slika 9-11). Ako signal reflektovan od tla nije prigušen usmerenim karakteristikama prijemnika, ovo će da dovede do konstruktivnog i destruktivnog ometanja, uzrokujući postepene izmene slika. Višelinijska ometanja sa zemlje i lokalne smetnje, ipak, ne ograničavaju često performanse milimetarskih zemlja-zemlja sistema tako ozbiljno kao zamračenja, pozadinske smetnje, i maskiranje tla (Richard, 1976).

Slika 9-11. Povratno rasejanje sa zemlje pri malim uglovima mogu biti problem u primeni radara za robotsko izbegavanje sudara.

Kada je rasejana energija vraćena u pravcu prijemnika (tj povratno rasejanje), ono može značajno da doprinese povećanju nivoa šuma, ponekad smanjujući odnos signal-šum do tačke kada je detekcija mete teška ili nemoguća.Efekat povratnog rasejanja od kiše je zavisan od količine padavina i frekvencije operacije, i pojavljuje se najznačajnije u regionu od 20 GHz do 40 GHz, što uključuje 35-GHz-ni Ka pojas frekvencija (Richard, 1976). Povratno rasejanje usled magle i oblaka je više od drugog reda veličine manje od toga zajedno sa kišom (Lo, et al., 1975). Dodatno uzrokujuće povratno rasejanje duž putanje, naslage snega na reflektujućoj površini mogu efektivno maskirati metu u celosti. Najbolji način za smanjivanje povratnog rasejanja je ograničenje veličine rezolucije (tj talasne širine). Druge tehnike uključuju antene koje hvataju uske zrake, kratko trajanje impulsa za TOF sisteme (Richard,1976), modulacija frekvencije sa širokim pojasom (McGee, 1968), optimizacija frekvencije, i kružna polaricacija. Upotreba kružna polarizacije,na primer, može da smanji uticaj kiše za 10 dB ili više (Strom, 1977).

Temperature

Brzina svetlosti, za razliku od brzine zvuka, nije značajno umešana pri temperaturnoj varijaciji sredine. Diferencijali temperature i vlažnost mogu, ipak, da stvore vremenski zavisno prelamanje, stvarajući zalutale talase što se rezultuje u kratkotrajnom slabljenju (Strom, 1977). Ova tema je prethodno raspravljana u odeljku 9.1.2.

Geometrija zraka

Manje talasne dužine milimetarko talasnog zračenja rezultuju da se manje talasne širine odnose kao mikrotalasi. Putem ilustracije, milimetarsko talasna antena sa otvorom diametra od 12 cm obezbeđuje 1.8-o stepenu talasnu širinu na 94 GHz, što se suprotstavlja 18 stepeni na 10 GHz (Sundaram,1979). Uski talasi znače povećan domet, veća ugaona rezolucija, smanjenje šuma i smetnji, minimizaciju povratnih izbočina, manji broj problema usled više putanja, i manju šansu za demodulaciju i mešanje stanica.

9.3.3 Izbor radne frekvencije

Kompromisi u odabiru radne frekvencije uključuju veličinu antene, osobine atmosferskog slabljenja, i dostupnu tehnologiju (Koester, et al., 1976). Strom (1977) obezbeđuje veoma obiman opšti pregled frekventne optimizacije u kojoj uzima u obzir efekte slabljenja, rasejanja, i sistemske parametare. Ovi faktori moraju biti zajednički razmatrani iz pogleda integracije sistema utvrđujući parametre sistema.

Na primer, zbog manjih talasnih širina, bočne izbočine i efekti više putanja od tla su mnogo više smanjeni na 220 GHz. Pošto operacije u ovom pojasu frekvencije takođe iziskuju najmanje komponente, ovo bi se moglo činiti kao najlogičniji izbor za većinu aplikacija. Ipak, Weiberg (1977) ukazuje da je po vrućem i vlažnom danu, potrebna snaga za sistem za prikupljanje meta sa 3 km skače od dela vata na 94 GHz do desetak kilovata ako radimo na 220 GHz.